Applicazione di modelli per la previsione della resistenza a fatica ad alta temperatura di superleghe single crystal per palette di turbine a gas

This work aim to present a suitable model that can describe the damage of the single crystal nichel based superalloy CMSX-4, due to the interaction of creep and fatigue. In particular, mechanical behaviour of the superalloy in case of high cycle fatigue will be considered. Furthermore, it will be presented the results of several experimental tests on plain and notched specimens under di erent load cases. These results will be used to extract a suitable damaging parameter of the material which is independent from the geometry. The tests described are part of the test matrix established by the European research project PREMECCY for the development of predictive methods for combined cycle fatigue in gas turbine blades, of which Politecnico di Milano is one of the partners. First, mechanical behaviour of single crystal superalloy CMSX-4 at di erent temperatures will be described, under fatigue and creep conditions both. With regard to fatigue characterization, high cycle fatigue tests were performed on notched and plain specimens in load control and using cycles with a triangular shape. Alternated stress fatigue limits were calculated per each load ratios; especially, a bi-linear function has been obtained at load ratio R = 0 which describes the behaviour over fatigue life term of the material for notched specimens. Since material goes under an elastic shakedown after few cycles, an elastic model of CMSX-4 superalloy was contemplated. In particular, this model consider the variation of mechanical properties at 950°C and the anisotropy of the material. Subsequently, this model was used to simulate high cycle fatigue beahviour of notched and plain specimens and test results were compared. Analyses has showed that a valid parameter for life assessment can be used as the variation of the maximum shear stress over the notched surface. With this parameter it was nally determined a life relationship which is valid at 950°C for both notched and smooth specimens.

L'obiettivo del seguente lavoro è quello di poter descrivere il danneggiamento per interazione di creep e fatica di una lega monocristallo a base nichel CMSX-4 per un elevato numero di cicli. Con questo proposito sono dunque state condotte diverse campagne sperimentali su provini intagliati e lisci a diversi livelli e rapporti di carico. Successivamente, basandosi sui risultati ottenuti, sono stati illustrati diversi metodi che hanno lo scopo di individuare un indice di danneggiamento opportuno che consenta di trascurare il fattore geometrico del materiale. Le prove descritte fanno parte del piano sperimentale stabilito dal progetto di ricerca europeo PREMECCY (predictive methods for combined cycle fatigue in gas turbine blades) per lo sviluppo di metodi di previsione in presenza di fatica a cicli combinati nelle pale di turbina a gas, di cui il Politecnico di Milano è partner. Inizialmente viene fornita una generica descrizione sul comportamento della lega a diverse temperature, sia a creep che a fatica. Per quanto riguarda la caratterizzazione a fatica, sono state e ettuate delle prove ad alto numero di cicli su provini intagliati e sono stati calcolati i valori di sforzo limite per ognuno dei tre rapporti di carico. In particolare, conoscendo i dati delle prove di fatica LCF in controllo di carico con cicli a pro lo triangolare e R = 0, è stata ricavata una legge bi-lineare che descrive l'andamento dei provini intagliati su tutto il range di vita a termine del materiale. Siccome dopo pochi cicli di fatica si assiste ad un shake-down elastico del materiale, è stato utilizzato un modello elastico della lega CMSX-4 a 950°C che tiene conto dell'anisotropia dei materiali single-crystal. Grazie a questo modello è stato possibile simulare i cicli delle prove HCF e confrontare i risultati con quelli di prove su provini lisci. Le analisi condotte hanno portato all'individuazione di un possibile parametro valido per la valutazione della durata, ovvero la variazione dello sforzo tangenziale massimo sul provino. Con questo parametro è stata in ne determinata una relazione di durata valida a 950°C sia per i provini lisci che per quelli intagliati.